一种可更换钢管混凝土外包ECC组合防撞桩的制作方法

本发明属于土木工程设计技术领域，涉及一种可更换钢管混凝土外包ecc组合防撞桩。

背景技术：

随着城市建设高速的发展，各种高速公路、城市交通道路、绕城高速及乡镇公路等交通网线四通八达，再加之经济迅猛发展，汽车总量大幅度飙升，道路交通安全问题备受国家及广大民众关注。由于受到地形、自然灾害等多种综合原因的限制，造成有些道路的某些路段线型较差、视野不开阔等客观事实，导致了这些路段车祸频频发生，对广大民众的生命及财产安全造成了极大威胁。如何最大程度的保护车祸发生时当事人的生命安全及降低车祸造成的经济损失，这是位土木工程领域应该考虑和亟待解决的问题。

普通混凝土防撞护栏作为一种刚性护栏，其具有拦截效果好，撞击损坏小等优点。但车辆在发生撞击意外时，混凝土护栏要依靠碰撞吸收能量，对车内人员安全考虑较少，如果车辆碰撞护栏后停下，巨大的减速度容易造成车内人员颈椎等内伤；如果车辆碰撞护栏后不能停下，则容易造成车辆改变方向冲到对面车道上或者直接翻越护栏冲出路面，造成人车的二次伤害。而且由于施工方法所限，混凝土护栏不易于替换，只能通过定期维修和整体更换来保证道路安全，目前只是较多应用于绝对严禁车辆驶出的相关路段，例如高架桥等。半刚性防撞护栏主要以波形梁钢护栏为主要形式，其利用土基、立柱和波形梁的变形来吸收能量，迫使车辆缓慢减速，能够在发生意外时更好的保护车内人员的安全，目前被广泛应用于高速公路中。但波形梁钢护栏使用的钢梁、钢筋等材质在户外易受到环境的腐蚀，使用寿命不高，需要每隔3年左右涂刷防锈漆，维护成本巨大。并且，波形梁钢护栏一旦因发生碰撞而导致断裂，其锐利和高刚度的断面极易插入车体，容易对车内人员造成严重的人身伤害，这类事故每年都会发生，频率较高。

高延性水泥基复合材料(ecc)是指基于断裂力学、微观物理力学和统计学优化设计，使用短纤维增强，且纤维掺量不超过复合材料总体积的2％，硬化后的复合材料应具有显著的应变硬化特征，在拉伸荷载作用下可产生多条细密裂缝，极限拉应变可稳定地达到3％以上的新型工程用水泥基复合材料。其组成材料包括纤维、水泥、砂、水、矿物掺合料和增稠剂，通常情况下水灰比小于0.5，试验研究已经证实它的应变能力一般为3％～6％，最高可达8％，耗能能力是常规纤维混凝土的3倍。因此它在提高结构的延性、耗能能力、抗侵蚀性、抗冲击性和耐磨性方面具有显著的优势，在抗冲击结构中有着广阔的应用前景。

目前尚未见到采用钢管混凝土外包一层ecc的组合防撞桩的结构设计报道。仅见到中国专利“钢-frp复合管混凝土防撞墩(公开号：cn205742748u，公开日：2016年11月30日)”报道了一种组合防撞结构，但是其内外结构在撞击下易分离，frp在撞击作用下发生脆性破坏，同时其在耐久性、自修复、耐损伤以及防撞效果上有待提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可更换钢管混凝土外包ecc组合防撞桩。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

该组合防撞桩包括高强混凝土柱芯、钢管及外部ecc浇筑层，所述高强混凝土柱芯填充于钢管内，外部ecc浇筑层与钢管外壁相粘结(即钢管外壁上设置有ecc层)。

优选的，所述组合防撞桩还包括柔性连接件，柔性连接件包括由抗拔钢板以及与抗拔钢板和钢管外壁分别相连的低屈服点钢板构成的t字型结构，柔性连接件包埋于外部ecc浇筑层内。

优选的，所述组合防撞桩还包括法兰盘、螺栓及预埋件，法兰盘与钢管一端露出外部ecc浇筑层的部分(即钢管的这一部分外壁上未覆盖ecc层)相连，预埋件与法兰盘通过螺栓相连。

优选的，所述外部ecc浇筑层底部与法兰盘顶部的距离为15cm～25cm。

优选的，所述组合防撞桩还包括与法兰盘及钢管相连的加劲肋。

优选的，所述预埋件固定于路面稳定层结构上，预埋件、钢管、加劲肋、螺栓及法兰盘暴露于外部环境的部分采用防腐层覆盖。

优选的，所述钢管和/或外部ecc浇筑层的截面外形为圆形。

优选的，所述ecc浇筑层的抗折强度不低于10mpa，极限延伸率不低于3％，且弯曲形变过程中平均裂缝宽度不超过0.1mm。

本发明的有益效果体现在：

本发明通过设置以耗能为主体的具有应变硬化、细密多裂缝开裂机制的ecc，可以有效的提高防撞结构在承受事故车辆撞击时的耗能能力。内部设置钢管混凝土可很大程度提高防撞结构的抗冲击能力及延性，使之不会轻易在车辆撞击下发生断裂。另外，本发明结构简单、设计施工方便、造价低廉，更换方便，能够做到安全与经济并存。

进一步的，外部ecc与内部钢管混凝土通过柔性连接件连接，既可以保证外部ecc与内部钢管混凝土紧密结合且受力时结合面不发生撕裂，柔性连接件与ecc浇筑层协调变形，同时剪切方向上又具有一定范围内的变形能力和耗能能力，使得防撞结构在承受事故车辆撞击时，可以通过外部ecc与内部钢管混凝土之间的变形消耗一部分能量。

进一步的，考虑到车辆撞击方向的不确定性，防撞桩的截面采用圆形，可以更好的实现防撞效果，减少车辆损伤。

进一步的，法兰盘与预埋件通过螺栓连接，便于防撞桩更换。

附图说明

图1为可更换钢管混凝土外包ecc组合防撞桩的整体构造图；

图2为可更换钢管混凝土外包ecc组合防撞桩的纵向剖面图；

图3为可更换钢管混凝土外包ecc组合防撞桩的柔性连接件、法兰盘和钢管连接构造图；

图4为可更换钢管混凝土外包ecc组合防撞桩的柔性连接件构造图；

图5为可更换钢管混凝土外包ecc组合防撞桩的横向剖面图；

图6为可更换钢管混凝土外包ecc组合防撞桩与路面之间连接构造纵剖面图；

图中：1.高强混凝土芯柱，2.钢管，3.ecc浇筑层，4.法兰盘，5.柔性连接件，6.螺栓孔，7.螺栓，8.翼缘钢板，9.低屈服点钢腹板，10.加劲肋，11.预埋件，12.路面稳定层结构，13.栓钉，14.高强防水混凝土。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明，所述是对本发明的解释，而非限定。

参见图1～图5，本发明提供了一种可更换钢管混凝土外包ecc组合防撞桩，每根防撞桩自核心区向外包括高强混凝土柱芯1、钢管2及外部ecc浇筑层3，其中，高强混凝土柱芯1是以钢管2内壁为模板，并通过浇筑高强混凝土(一般把强度等级为c60及其以上的混凝土称为高强混凝土)而形成的，从而使得高强混凝土柱芯1与钢管2形成了一种具有更高强度的混凝土桩结构(称之为钢管混凝土桩)。钢管2底部插入法兰盘4中，钢管2与法兰盘4通过焊接连接，为提高钢管混凝土桩与法兰盘4的连接强度，在钢管2和法兰盘4连接部位加加劲肋10。外部ecc浇筑层3是通过浇筑于钢管2外壁上的ecc形成的，因此外部ecc浇筑层3与钢管2之间存在粘结结合。在此基础上，外部ecc浇筑层3和钢管2之间可增设柔性连接件5进行连接，柔性连接件5构造的主体为一t型钢结构，具体由翼缘钢板8和一块较薄的ly100低屈服点钢腹板9焊接而成(图4)，柔性连接件5数量及布置应根据具体工程需要进行计算后确定，具体需要考虑低屈服点钢腹板9作为柔性连接件主体的作用，以及翼缘钢板8作为抗拔钢板的作用(抵抗ecc因撞击整体纵向变形以及局部横向变形导致的竖向分离和掀起，增强ecc与钢管的粘结作用)。柔性连接件不抗剪，但可减少由于撞击而造成ecc开裂，减少后期的修复费用。在本实施例中，柔性连接件5沿钢管2轴向分多层布置，每层柔性连接件5均匀间隔排列(例如，形成十字形排列位置，参见图3及图5)，浇筑ecc后，ecc浇筑层3将柔性连接件5埋入其内，ecc浇筑层3截面外形为与钢管相同的圆形。

上述防撞桩的施工方法如下：

首先将柔性连接件5预先在钢结构加工厂焊接于钢管2上，其中低屈服点钢腹板9一端与钢管2外壁焊接在一起，另一端与翼缘钢板8焊接在一起，钢管2内浇注核心高强混凝土，形成钢管混凝土圆柱(即钢管混凝土桩)，然后再在钢管混凝土桩外浇筑ecc，24小时后拆模，放在室内自然环境下养护浇水28d即可，根据普通车辆底盘高度确定距法兰盘4顶部15cm～25cm范围内不浇筑ecc，可以保证在防撞桩可靠连接并发挥作用的前提下降低造价，节约成本。

待浇筑的ecc形成与钢管2粘结为一体的圆柱状外形的ecc浇筑层3后即可运至道路现场进行防撞桩的安装。防撞桩下部法兰盘4和预埋件11通过螺栓7进行连接，法兰盘4与预埋件11之间连接所用螺栓7数量可根据计算确定。预埋件11则预先通过栓钉13与路面稳定层结构12可靠连接。预埋件11顶面应稍微低于路面，并用高强防水混凝土14填平，防止预埋件11由于锈蚀强度降低，注意填平时不要封堵预埋件上的螺栓孔。另外，其他露在外部的金属材料都应进行防锈处理(图6)。

本实施例中，浇筑用的ecc在搅拌机中制作完成，ecc中个组分质量配合比按照水泥∶粉煤灰∶砂∶水∶pva纤维∶减水剂＝1∶1∶0.72∶0.58∶0.043∶0.03。首先将称好的胶凝材料(水泥和粉煤灰)和精细砂混合干拌1～2min，而后加水搅拌2～4min，然后加入减水剂再搅拌3～5min，此时的砂浆基体具有良好的流动性和适宜的黏聚性，最后人工慢慢地加入pva纤维，待纤维完全加入后再搅拌4～6min，整个搅拌程序即宣告完成。所形成ecc立方体抗压强度c60，抗折强度不低于10mpa，极限延伸率不低于3％，且在弯曲形变过程中存在明显应变硬化过程，伴随着多缝开裂的发生，平均裂缝宽度不超过0.1mm。

在施工时，防撞桩的高度及间距应根据使用地方不同以及相应规范进行确定。当撞击力较小时，只更换外部ecc浇筑层3(局部或全部，包含其对应的柔性连接件)，当撞击力较大，导致钢管混凝土桩变形较大时，可整体更换防撞桩。

本发明所述防撞桩的结构设计特点如下：

1)钢管混凝土桩提供足够的强度，抵抗事故车辆的撞击，保证防撞桩不破坏，避免车辆撞断防撞桩，导致车辆跌落悬崖或冲到其他车道造成连锁反应，造成更大损失。同时，ecc材料耗能能力较好，耐损伤容限较大，抗冲击性较好，可以消耗车辆撞击时产生的巨大能量，降低车辆损伤程度，保护当事人生命安全。

2)ecc材料自我控制裂缝宽度、抗冻融、抗腐蚀、耐磨性能、冷热循环，抗疲劳性能较好，可有效保护钢管不被腐蚀，延长内置钢管使用寿命，减少维护费用。

3)ecc在发生多缝开裂时，平均裂缝宽度不大于0.1mm，此宽度下的裂缝具有自愈合效应。即防撞桩在外力作用下，若其在塑形变形阶段外力消失，此时防撞桩具有自修复的作用，可以减少防撞桩维修次数，增加使用寿命。

4)外部ecc通过柔性连接件和自身与钢管的粘结力与内部钢管混凝土圆柱进行连接，所形成钢管混凝土外包ecc组合防撞桩中，柔性连接件可以增强ecc与钢管粘结性能，同时低屈服点钢片在发生撞击时发生变形消耗能量，减少车辆损伤。

5)ecc与钢管混凝土变形协调能力较好，发生撞击后，ecc和钢管混凝土能够协调变形，承载力下降较小，不会发生ecc与钢管分离，减少后期维护费用。

本发明所述防撞桩可以应用于高速公路、山区盘山公路、城市和乡镇道路急转弯处以及车祸事故高发区等路段的防撞设施。由于外层ecc具有低弹模、韧性好及良好的冲击耗能能力，再加上内部钢管高强混凝土的高强度、高延性等特点，使得本发明所述的防撞桩在受到事故车辆撞击后，既可以最大程度的保护当事人的生命财产安全，同时又不会造成严重破坏，保证起到减少车辆损伤和保证当事人生命安全作用。

总之，本发明通过设置与内部钢管混凝土可靠连接的ecc外层，既可以保证防撞桩有足够的强度而不发破坏，又可以充分利用ecc所具有的良好的耗能能力来消耗撞击时产生的巨大能量，减少车辆损坏，保护当事人生命财产安全。同时，ecc与柔性连接件之间亦可通过剪切方向小位移滑动屈服耗能，降低事故车辆的撞击作用。另外，本发明结构简单、设计施工方便、造价低廉，易于更换，能够做到安全与经济并存。